基于表面肌电和动力学参数的小儿脑瘫爬行运动模式及神经控制机理研究

Due to brain damage or incomplete development, children with cerebral palsy (CP) always suffer from one or more functional abnormalities of the neuromuscular system, and the resulting motor dysfunction including abnormal crawling is one of the main clinical manifestations of CP. Correct understanding and evaluation of crawling abnormality in children with CP are of great clinical value in establishing targeted training protocol to restore their crawl functions, as well as to help them in obtaining subsequent independent gait function. Aiming to provide more objective and scientific methods for clinical diagnosis and rehabilitation treatment of children with CP, this proposal is designed to conduct a systematic study on the crawling functional abnormalities of CP children based on surface electromyography (sEMG) and kinetic sensing technologies. By means of modern pattern recognition technology, muscle synergy analysis technology and spinal-motor neuron model etc., the major contents of the study include: 1) the classification of abnormal CP crawling patterns, 2) the neural control mechanism of abnormal CP crawling patterns, and 3) the quantitative assessment of crawling motor dysfunction of CP. The launching of this study will facilitate early diagnosis and rehabilitation intervention for infantile CP, and is also of great significance in improving the prognosis for children with CP.

脑瘫患儿由于大脑损伤或发育不全，总会存在一种或多种神经肌肉系统功能异常，由此引起的包括爬行功能异常在内的运动障碍是脑瘫的主要临床表现之一。正确认识和评估脑瘫患儿的爬行运动功能异常，对指导其开展针对性的爬行训练，尽快建立爬行功能，从而获得独立行走功能具有重要的临床意义。本课题旨在将可反映神经肌肉活动信息的表面肌电检测技术与动力学传感技术相结合，对人类爬行运动进行多角度检测和分析，为小儿脑瘫爬行异常的临床诊断和康复治疗探索客观科学的方法手段。借助模式识别技术、肌肉协同分析技术和肌肉-脊髓运动神经元模型等，重点开展：1）脑瘫患儿爬行运动异常模式分类研究；2）脑瘫异常爬行模式神经控制机理研究；3）脑瘫爬行运动功能障碍量化评估研究。本课题研究的开展将有助于提高小儿脑瘫临床诊断和康复治疗水平，研究成果对提高脑性瘫痪儿童的预后具有重要的临床应用前景。

本课题旨在将可反映神经肌肉活动信息的表面肌电检测技术与动力学传感技术相结合，对人类爬行运动进行多角度检测和分析，为小儿脑瘫爬行异常的临床诊断和康复治疗探索客观科学的方法手段。具体地，采用肌电分解、模式识别、肌肉-脊髓运动神经元模型和肌肉协同分析等先进方法手段，以脑性瘫痪患儿、健康成人和健康儿童为研究对象，对爬行运动肌肉协同机制及神经控制机理、爬行运动障碍量化评估、爬行运动模式分类识别等关键问题展开了深入研究。主要工作可概括如下：（1）在脑瘫爬行运动肌肉协同机制及神经控制机理研究方面，提出了基于肌肉协同分析的手膝爬行运动研究方案，对比了同步协同和时变协同分析方法用于评估爬行运动功能障碍的可能性，探索了脑瘫儿童不同GMFCS水平与步态协同控制特征之间的关系；（2）在脑瘫患儿爬行运动障碍量化评估探索方面，开展了脑瘫患儿上肢、下肢以及爬行运动功能障碍评估研究，提出了有效的脑瘫患儿运动功能异常程度评估方案和一系列评估指标参数；（3）从肌肉肌腱单元层面对肌疲劳特性、肌力预测以及肌疲劳状态下肌力预测模型修正等进行了系统深入研究，实现了骨骼肌内肌肉肌腱单元定位、激活水平分析和高精度的肌力估计；（4）在脑瘫爬行运动模式研究方面，与传统将爬行模式分为同侧式、对侧式和无肢体配对式三种类型不同，定义了8种典型肢体配对爬行模式，在用户无关、用户有关、多用户三种情形下，达到了82.95%~98.32%的平均分类准确率，探索了健康成人爬行模式的选择机理，分析了脑瘫患儿的爬行模式异常。本课题在爬行运动控制机制探索上取得的研究成果对脑瘫患儿运动功能障碍的诊断、预后及可能的治疗具有重要的临床意义，提出的运动功能障碍评估方法为在临床诊断和康复中采用定量指标评估脑瘫患儿运动功能提供了可能，相关肌疲劳和肌力估计方法有望对脑瘫患儿的肌肉康复训练提供指导。